- •Курс лекций
- •Содержание
- •Понятие субд. Функции субд
- •2. Проектирование бд. Нормальные формы отношений 77
- •Понятие бд и субд
- •Данные.
- •Аппаратное обеспечение.
- •Программное обеспечение.
- •Пользователи.
- •Уровни абстракции в субд. Функции абстрактных данных
- •Представления
- •Внешний уровень – внешнее представление
- •Концептуальный уровень – концептуальное представление
- •Внутренний уровень – внутреннее представление
- •Функции субд
- •Экспертные системы и базы знаний
- •Литература:
- •Модели бд
- •Обзор ранних (дореляционных) субд
- •Системы, основанные на инвертированных списках
- •Структуры данных
- •Манипулирование данными
- •Ограничения целостности
- •Иерархическая модель
- •Иерархические структуры данных
- •Манипулирование данными
- •Ограничения целостности
- •Сетевая модель
- •Сетевые структуры данных
- •Манипулирование данными
- •Ограничения целостности
- •Основные достоинства и недостатки ранних субд
- •Литература:
- •Реляционная модель и ее характеристики. Целостность в реляционной модели
- •Представление информации в реляционных бд
- •Отношения. Свойства и виды отношений
- •Свойства отношений
- •Виды отношений
- •Целостность реляционных данных
- •Потенциальные и первичные ключи
- •Внешние ключи
- •Ссылочная целостность
- •Правила внешних ключей
- •Значения null и поддержка ссылочной целостности
- •Литература:
- •Реляционная алгебра
- •Понятие реляционной алгебры
- •Замкнутость в реляционной алгебре
- •Традиционные операции над множествами
- •Объединение
- •Пересечение
- •Вычитание
- •Произведение
- •Свойства основных операций реляционной алгебры
- •Специальные реляционные операции
- •Выборка
- •Проекция
- •Естественное соединение
- •Деление
- •Операция расширения
- •Операция подведения итогов
- •Операторы обновления
- •Реляционные сравнения
- •Литература:
- •Вопросы проектирования бд
- •Понятие проектирования бд
- •Функциональные зависимости
- •Тривиальные и нетривиальные зависимости
- •Замыкание множества зависимостей и правила вывода Армстронга
- •Неприводимое множество зависимостей
- •Нормальные формы – основные понятия
- •Декомпозиция без потерь и функциональные зависимости
- •Диаграммы функциональных зависимостей
- •Литература:
- •Проектирование бд. Нормальные формы отношений
- •Первая нормальная форма. Возможные недостатки отношения в 1нф
- •Вторая нормальная форма. Возможные недостатки отношения во 2нф
- •Третья нормальная форма. Возможные недостатки отношения в 3нф
- •Сохранение зависимости
- •Нормальная форма Бойса-Кодда
- •Литература:
- •Проектирование бд. Нормальные формы отношений (продолжение)
- •Многозначные зависимости
- •Четвертая нормальная форма
- •Зависимости соединения
- •Пятая нормальная форма
- •Зависимости соединения, подразумеваемой потенциальными ключами
- •Итоговая схема процедуры нормализации
- •Литература:
- •Проектирование бд методом сущность-связь. Er-диаграммы
- •Возникновение семантического моделирования
- •Основные понятия метода
- •Диаграммы er-экземпляров и er-типа
- •Связи типа 1:1 и необязательный класс принадлежности
- •Связи типа 1:1 и обязательный класс принадлежности
- •Связи типа 1:м вариант н-о
- •Связи типа м:м и вариант класса принадлежности о-н
- •Правила формирования отношений
- •Степень связи 1:1, класс принадлежности обеих сущностей обязательный
- •Степень связи 1:1, класс принадлежности одной сущности обязательный, а второй – необязательный
- •Степень связи 1:1, класс принадлежности обеих сущностей – необязательный
- •Степень связи между сущностями 1:м (или м:1), класс принадлежности м-связной сущности обязательный
- •Степень связи 1:м (м:1)и класс принадлежности м-связной сущности – необязательный
- •Степень связи м:м, независимо от класса принадлежности сущностей
- •Методология idef1 (самостоятельное изучение)
- •Литература:
- •Язык sql
- •История создания и развития sql
- •Основные понятия sql
- •Операторы
- •Типы данных в sql
- •Константы
- •Запросы на чтение данных. Оператор select
- •Предложение select
- •Предложение from
- •Отбор строк (предложение where)
- •Условия поиска
- •Сортировка результатов запроса (предложение order by).
- •Многотабличные запросы на чтение (объединения).
- •Запросы с использованием отношения предок/потомок.
- •Прочие объединения таблиц по равенству
- •Литература:
- •Язык sql (продолжение)
- •Объединения и стандарт sql2
- •Внутренние объединения в стандарте sql2
- •Внешние объединения в стандарте sql2
- •Перекрестные объединения и запросы на объединение в sql2
- •Многотабличные объединения в стандарте sql2
- •Итоговые запросы на чтение. Агрегатные функции
- •Агрегатные функции и значения null
- •Запросы с группировкой (предложение group by)
- •Несколько столбцов группировки
- •Ограничения на запросы с группировкой
- •Вложенные запросы
- •Условия поиска во вложенном запросе
- •Литература:
- •Внесение изменений в базу данных.
- •Добавление новых данных (оператор insert).
- •Удаление существующих данных (Оператор delete)
- •Обновление существующих данных (Оператор update)
- •Определение структуры данных в sql
- •Создание таблицы (оператор create table)
- •Удаление таблицы (оператор drop table)
- •Изменение определения таблицы (оператор alter table)
- •Определения доменов
- •Индексы (операторы create/drop index)
- •Понятие представления.
- •Преимущества представлений
- •Недостатки представлений
- •Представления в sql.
- •Обновление представлений и стандарт ansi/iso
- •Удаление представления (оператор drop view)
- •Системный каталог (самостоятельное изучение)
- •Понятие системный каталог
- •Системный каталог и стандарт ansi/iso
- •Содержимое системного каталога
- •Информационная схема в стандарте sql2
- •Литература:
- •Обеспечение безопасности бд
- •Общие положения
- •Методы обеспечения безопасности
- •Избирательное управление доступом
- •Обязательное управление доступом
- •Шифрование данных
- •Контрольный след выполняемых операций
- •Поддержка мер обеспечения безопасности в языке sql
- •Директивы grant и revoke
- •Представления и безопасность
- •Литература:
- •Физическая организация бд: структуры хранения и методы доступа
- •Доступ к базе данных
- •Кластеризация
- •Индексирование
- •Плотное и неплотное индексирование
- •Структуры типа б-дерева
- •Хеширование
- •Литература:
- •Оптимизация запросов
- •Пример оптимизации реляционного выражения
- •Обзор процесса оптимизации
- •Стадия 1. Преобразование запроса во внутреннюю форму
- •Стадия 2. Преобразование в каноническую форму
- •Стадия 3. Выбор потенциальных низкоуровневых процедур
- •Стадия 4. Генерация планов вычисления запроса и выбор плана с наименьшей стоимостью
- •Преобразование выражений
- •Выборки и проекции
- •Распределительный закон
- •Коммутативность и ассоциативность
- •Идемпотентность
- •Вычисляемые скалярные выражения
- •Условия
- •Семантические преобразования
- •Статистики базы данных
- •Литература:
- •Восстановление после сбоев
- •Транзакции
- •Понятие транзакции
- •Восстановление транзакции.
- •Свойства асид.
- •Алгоритм восстановления после сбоя системы
- •Восстановление после отказов системы
- •Параллелизм. Проблемы параллелизма
- •Проблема потери результатов обновления
- •Проблема незафиксированной зависимости
- •Проблема несовместимого анализа
- •Понятие блокировки
- •Решение проблем параллелизма
- •Проблема потери результатов обновления.
- •Проблема незафиксированной зависимости.
- •Проблема несовместимого анализа
- •Тупиковые ситуации
- •Способность к упорядочению
- •Уровни изоляции транзакции
- •Поддержка в языке sql
- •Литература:
- •Технологии субд
- •Распределенные базы данных
- •Предварительные замечания.
- •Принципы функционирования распределенной бд
- •Локальная автономия
- •Независимость от центрального узла
- •Непрерывное функционирование
- •Независимость от расположения
- •Независимость от фрагментации
- •Системы типа клиент/сервер
- •Серверы баз данных
- •Литература:
- •Современные постреляционные модели бд
- •Системы управления базами данных следующего поколения
- •Ориентация на расширенную реляционную модель
- •Абстрактные типы данных
- •Генерация систем баз данных, ориентированных на приложения
- •Поддержка исторической информации и темпоральных запросов
- •Объектно-ориентированные субд
- •Модель данных ообд
- •Идентификатор объекта
- •Новые типы данных
- •Оптимизация ядра субд
- •Язык субд и запросы
- •Транзакции в оосубд
- •Блокировки в оосубд
- •Ведение версий
- •Физические хранилища
- •Литература:
- •Regions
- •WorkPlan
- •Subjects
- •Teachers
- •Students
- •Приложение б.Описание структуры учебной базы данных.
Структуры типа б-дерева
Одним из наиболее важных и распространенных индексов является структура типа Б-дерева (B-tree).
Причина необходимости создания структуры типа Б-дерева заключается в желании избежать обязательного просмотра всего содержимого индексированного файла согласно его физической последовательности. Дело в том, что если индексированный файл имеет большой размер, то и его индекс также очень велик. Поэтому последовательный просмотр даже одного только индекса требует больших затрат времени. Разрешить эту проблему можно тем же способом, что и раньше: рассмотреть индексный файл как обычный хранимый файл и создать для него еще один индекс. Эту операцию можно осуществлять повторно нужное количество раз (обычно она применяется трижды, поскольку создание большого количества иерархических уровней индексирования требуется для очень больших файлов). При этом индекс на каждом из уровней будет неплотным по отношению к нижнему индексируемому уровню (он обязательно должен быть неплотным, иначе такая структура бессмысленна, так как уровень n содержал бы такое же количество записей, что и уровень n+1, а для просмотра потребовалось бы такое же длительное время).
Структура типа Б-дерева является частным случаем индекса древовидного типа и впервые описана в статье Байера (Вауег) и Мак-Крайта (McCreight) в 1972 году. С тех пор Байером и другими исследователями было предложено множество вариантов реализации этой идеи. В результате бинарные индексы различных типов стали широко использоваться во всех современных СУБД.
В варианте Кнута индекс состоит из двух частей:
Набор последовательностей включает одноуровневый индекс для реальных данных, который обычно является плотным, но может быть и неплотным, если в индексированном файле проведена кластеризация на основе индекса
Набор индексов, в свою очередь, обеспечивает быстрый непосредственный доступ к набору последовательностей (а значит, и к данным). По сути, набор индексов является древовидным индексным файлом для набора последовательностей или, строго говоря, индексом со структурой Б-дерева. Комбинация набора индексов и набора последовательностей называется структурой типа Б-плюс-дерева (B-plus tree или B-tree). На рис. 13 .63 показан простой пример такой структуры.
Числа 6, 8, 12, ... 97, 99 являются значениями индексированного поля F. Корневой элемент содержит два значения поля F (50 и 82) и три указателя (номера страниц). Данные со значением поля F, равным или меньшим 50, могут быть найдены с помощью левого указателя; данные со значением поля F, большим 50 и равным или меньшим 82, – с помощью среднего указателя; наконец, данные со значением поля F, большим 82, – с помощью правого указателя. Другие элементы набора индексов следует интерпретировать подобным образом. Обратите внимание, что благодаря переходу на второй уровень по левому указателю в дальнейшем поиск по правому указателю будет осуществляться ко всем записям со значением поля F, большим 32 и равным или меньшим 50.
Вообще, Б-дерево порядка п содержит не менее п и не более 2п записей с данными в каждом из элементов структуры (для каждых k записей требуется также k+1 указателей). Кроме того, ни одна из записей не может использоваться двумя разными элементами.
Одним из недостатков иерархических структур является несбалансированность их работы после удаления или вставки некоторых элементов. Дело в том, что в результате таких изменений структуры элементы с реальными данными могут оказаться на разных уровнях и на разных расстояниях от корневого элемента. Поскольку во время поиска при каждом посещении элементов структуры происходит обращение к диску, общая продолжительность поиска в несбалансированной древовидной структуре может оказаться совершенно непредсказуемой.
Преимуществом структуры типа Б-дерева является возможность сбалансированной вставки или удаления значений. (Вот почему для английского написания такого индекса, "B-tree", иногда употребляют вместо символа "В" эпитет от "сбалансированный" (balanced).) Ниже приводится краткий алгоритм вставки нового значения V в структуру типа Б-дерева порядка п. Он рассчитан на вставку значения только лишь в набор индексов, но может быть достаточно просто расширен для вставки записи с данными в набор последовательностей.
На самом низком уровне набора индексов следует найти элемент (допустим, что это элемент N), с которым логически связано вставляемое значение V. Если элемент N содержит свободное пространство, то значение V вставляется в него и на этом процесс завершается.
В противном случае (если свободного пространства нет, т.е. придется создать еще один уровень) элемент N (допустим, что он содержит 2n индексных записей) разделяется на два элемента – N1 и N2. Обозначим символом 5 множество из 2n+1 значений, в котором 2n исходных значений и одно новое значение V. Тогда n первых значений этой логической (уже упорядоченной) последовательности необходимо поместить в элемент N1, n последних – в элемент N2, а среднее между ними значение W– в родительский элемент Р на более высоком структурном уровне. Впоследствии, при осуществлении поиска значения U и достижении элемента P, поиск будет перенаправлен в сторону элемента N1, если V<W, либо в сторону элемента N2, если U> W.
Далее этот процесс следует повторить для вставки среднего значения W в родительский элемент Р на более высоком структурном уровне.
В худшем случае процесс разделения элементов структуры может продлиться вплоть до корневого элемента всей структуры с образованием нового иерархического уровня.
Для удаления некоторого значения следует применить аналогичный алгоритм, но только в обратном порядке. А для изменения значения его можно удалить, а затем вставить новое.
р
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
50 |
|
82 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Набор индексов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
12 |
|
32 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
58 |
|
70 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
89 |
|
94 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Набор последовательностей (с указателями на реальные данные) |
6 |
8 |
12 |
|
15 |
18 |
32 |
|
35 |
40 |
50 |
|
51 |
52 |
58 |
|
60 |
62 |
70 |
|
71 |
78 |
82 |
|
83 |
85 |
89 |
|
91 |
93 |
94 |
|
96 |
97 |
99 |
|
|
¯ |
¯ |
¯ |
|
¯ |
¯ |
¯ |
|
¯ |
¯ |
¯ |
|
¯ |
¯ |
¯ |
|
¯ |
¯ |
¯ |
|
¯ |
¯ |
¯ |
|
¯ |
¯ |
¯ |
|
¯ |
¯ |
¯ |
|
¯ |
¯ |
¯ |
|
ис. 13.63 Пример структуры типа Б-дерева